基于UDEC的滑坡运动特征分析——以贵州省松桃县甘龙镇石板村滑坡为例

陆泌锋，张 辉*，谢配红,2

(1.贵州省地质矿产勘查开发局一〇六地质大队，贵州 遵义 563000；2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

贵州省山多地少，近年来随着城镇化建设的加快，修路建房等切坡工程不可避免，加上贵州省脆弱的地质环境条件和极端的气候，导致地质灾害频发。2020年7月8日上午7点左右，贵州省松桃县甘龙镇石板村发生滑坡，造成7人死亡，19户房屋被埋，60户房屋受损，79户320人不同程度受灾，并造成国道G326甘龙镇石板村路段道路中断及斜坡底部甘龙河改道。石板村滑坡是一起突发性的滑坡，研究其形成机制和运动特征对灾后重建和工程治理具有重要的现实意义。

目前滑坡的运动特征和变形破坏过程主要可通过物理模拟试验和数值模拟来反演。赵建军等[1-2]利用室内模型试验模拟了贵州马达岭滑坡在煤矿开采与降雨作用下的变形破坏过程；王如宾等[3]利用物理模拟试验，研究了不同降雨强度下滑坡堆积体孔隙水压力变化与土压力的响应规律与变形破坏模式。数值模拟主要包括有限元法和离散元法，其中离散元法能较好地模拟滑坡的非连续破坏和滑动过程[4]。王家柱等[5]利用离散元还原了地震作用下金沙江上游某特大型滑坡的堵江过程；崔芳鹏等[6]采用离散元模拟，再现了贵州纳雍张家湾镇普洒滑坡在煤层采空区、深大岩溶裂隙、强降雨和回采爆破振动协同作用下的动力响应特征，揭示出崩滑的动力触发机制；刘春等[7]利用三维离散元模拟了四川茂县新磨村滑坡从启动、高速下滑到堆积的全过程，且模拟结果与实际的滑坡堆积体在形态和分布上非常相似；张龙等[8]、窦思军等[9]、吴建川等[10]、李龙起等[11]、毛佳等[12]采用离散元对多个滑坡的运动过程进行了模拟，深入讨论了位移、速度、堆积形态等各方面的因素。相比于物理模拟试验，数值模拟应用更广，成本更低，且模拟结果可定量化。因此本文以贵州省松桃县甘龙镇石板村滑坡为例，在现场调查、测绘和室内试验基础上，运用二维离散元程序(UDEC)深度还原滑坡从启动到堆积的全过程，结果可为附近区域相似地质灾害隐患的早期识别和防灾减灾提供一定的参考。

1 滑坡基本特征

滑坡位于贵州省松桃县甘龙镇石板村，地处云贵高原东北边缘向湘西低山丘陵过渡的斜坡地带，第四系以来，在喜山期新构造运动作用下，地壳抬升并伴随河流的快速下蚀，导致研究区河谷深切，相对高差大，可达550 m，属构造侵蚀中山峡谷地貌。斜坡底部发育一条河流，名为甘龙河，滑坡位于甘龙河右岸，斜坡坡向为271°，平均坡度约22～25°，滑坡左侧原发育一冲沟。

滑坡区出露地层岩性为奥陶系中下统大湾组(O1-2d)深灰色中厚层-厚层状泥灰岩夹薄层粗晶灰岩，产状为260°∠22°，斜坡类型为顺向坡。斜坡表层第四系覆盖层厚度较薄，且变化较大(0.2～3.0 m)，成分以第四系残坡积含碎石粉质黏土为主。

石板村滑坡平面形态近似“舌”形，整体前缘宽，后缘窄(图1)。滑坡纵长约760 m，宽60～200 m，前后缘高差约260 m，滑体厚度2～10 m，滑坡体积约70×104m3，为中型顺层岩土混合型牵引式滑坡。滑面为奥陶系中下统大湾组(O1-2d)中厚层-厚层状泥灰岩与薄层状粗晶灰岩的接触面(图2)。滑坡滑动后，在后缘可见高5～8 m的滑坡后壁，并在中后部可见滑床，且在滑床面上可见滑痕现象，下滑的堆积体堵塞甘龙河并造成河流改道，改道河流与原河流距离最大可达90 m。

图1 石板村滑坡全景

图2 泥灰岩与粗晶灰岩接触面

2 滑坡形成机制

2.1 控滑因素

根据现场访问，石板村滑坡的发生是由于村民在山上种植茶树而修建盘山公路，修路的弃渣堆积在滑坡左侧的冲沟内，冲沟被堵住，恰逢2020年7月8日前连续大暴雨，原来的冲沟相当于天然的排水沟，当被堵住之后，造成排水困难，最终产生滑坡。根据调查访问结果，可将石板村滑坡的控滑因素归纳为以下4个方面。

a)地形地貌与地层岩性组合。滑坡区坡度变化不大，斜坡结构类型为顺向坡，且坡度与岩层倾角相当。另外泥灰岩与粗晶灰岩的接触面胶结程度不一样，两者的接触面相当于一个软弱面。此外，斜坡底部由于河流下切作用在岸边形成了陡坎，使泥灰岩与粗晶灰岩接触面临空。

b)岩体结构。斜坡下伏地层中节理裂隙发育，滑坡左壁平直(图3)，可以看出，该处发育一组走向与坡向近于平行的控制性节理面，滑坡变形过程中在左侧边界上首先沿节理面发生剪切。

图3 石板村滑坡左侧边界

c)降雨。松桃县属于中亚热带湿润季风气候区，汛期雨量充沛。滑坡发生前一周的降雨量达101.9 mm，发生前两天的降雨量达66.4 mm，占过去一周降雨量的65.2%，另外从小时降雨量数据来看，滑坡区的从7月8日凌晨2点开始出现连续性降雨，至凌晨4点达到最大值96.2 mm，随后开始降低[13]，见图4。

图4 滑坡区7月7日晚9点至7月8日早8点小时雨强

滑坡发生于7月8日上午7点左右，可以看出，滑坡发生对于暴雨具有明显的滞后效应。滞后的原因主要为降雨后雨水需要一段时间入渗，一方面增加岩体容重和降低岩体强度，特别是胶结程度不同的泥灰岩和粗晶灰岩的接触面，抗剪强度受雨水的影响更大；另一方面，雨水入渗后会逐渐产生水压力，特别是动水压力和上扬压力，都对斜坡稳定性极为不利。

d)人类工程活动。人类工程活动的影响主要为破坏了天然的排水系统，导致雨水排出困难而就地入渗。

2.2 滑坡形成过程

根据调查分析结果，可将石板村滑坡的形成过程归纳为3个阶段，即：前缘滑移-后缘拉裂阶段、整体滑移阶段、碰撞堆积阶段(图5)。

a)前缘滑移-后缘拉裂阶段。河谷下切过程中，随着斜坡侧向应力的解除，为了适应新的河谷形态，斜坡应力逐渐调整，调整后坡脚部位形成剪应力集中区，且越靠近坡面，最大主应力的方向越会和坡面近于平行[14]。随着河谷的继续下切，当揭露顺向坡中泥灰岩和粗晶灰岩的接触面后，原本斜坡表面排水顺畅，但随着天然排水系统遭到破坏，雨水就地沿第四系土层的孔隙和岩体中的裂隙入渗，在增加岩土体容重的同时，并使泥灰岩和粗晶灰岩的接触面的抗剪强度逐渐降低，降低到一定程度后，接触面演变成滑面，斜坡开始沿接触面从前缘的剪应力集中区产生滑移变形，变形逐渐向上传递，从而在坡面和滑坡后缘产生众多拉张裂缝。

a)前缘滑移-后缘拉裂阶段

b)整体滑移阶段。坡面及后缘产生裂缝后，雨水沿裂缝入渗，入渗速率大幅度提高，雨水入渗后充填在裂隙中产生静水压力，从而对两侧的块体产生挤压作用，同时短时间的强降雨使斜坡中的地下水位升高，产生的上扬压力沿泥灰岩和粗晶灰岩的接触面形成浮托力，从而降低了岩体的有效压力。随着降雨的继续，静水压力、上扬压力和岩土体容重不断增加，当产生的剪切力大于泥灰岩和粗晶灰岩的接触面的抗剪强度后，斜坡沿接触面急剧下滑，形成滑坡。

c)碰撞堆积阶段。滑坡启动后，由于滑移距离较远，岩体在下滑过程中发生相互碰撞、解体，原生地层层序基本被打乱，滑体被分解成大小不一的块石，块石在雨水浮托力作用下继续下滑，前缘的堆积体冲入底部的甘龙河中，原斜坡表层的含碎石粉质黏土充填到块石的空隙中，使原来的河道被完全堵塞，从而迫使河流改道。

3 基于UDEC的滑坡运动特征分析

通用离散元程序(UDEC)是一个处理不连续介质的二维离散元程序。离散元能够考虑到节理裂隙对材料的影响，即通过赋予节理裂隙相应的力学参数，便可以对节理裂隙在荷载作用下的力学响应进行分析[15]。因此，用离散元能较好地模拟岩质滑坡的运动特征和变形破坏过程。

3.1 模型建立

通过野外对已滑动后的石板村滑坡进行实测剖面，然后还原滑动之前的地形来模拟滑坡的变形破坏过程。模型沿泥灰岩和粗晶灰岩的接触面将斜坡分为2个区，模型长1 034 m，底部高程为500 m。为了简化模型并保证其合理性，模型中的结构面主要考虑对滑坡具有控制作用的岩层层面、泥灰岩和粗晶灰岩的接触面和陡倾坡外的节理。此外，为了监测滑坡滑动过程中位移的变化情况，在模型中设置了6个监测点(G1—G6)，见图6。边界条件为固定模型左右边界的水平位移和底边界竖向位移。

图6 滑坡概化模型

3.2 力学参数选取

本文主要模拟石板村滑坡在降雨条件下整体的变形破坏过程，可忽略块体自身和块体间的相对位移，因此模型选用刚性本构模型和摩尔库伦屈服准则，结构面选用节理面接触-库仑滑移模型。岩体的力学参数包括密度、弹性模量和剪切模量，其中密度可通过室内试验直接获得，体积模量和剪切模量则是利用试验所得到的弹性模量与泊松比经过公式计算获得；结构面的力学参数在没有试验依据的情况下，可通过结构面的性质进行类比确定[16](表1、2)。

表1 岩体力学参数

表2 结构面力学参数

3.3 模拟结果分析

a)前缘滑移-后缘拉裂阶段。当程序迭代计算至7 s时，斜坡在前缘沿泥灰岩与粗晶灰岩接粗面产生了小规模的滑移变形，在坡体表面和后缘也产生了细微的拉张裂缝，且拉张裂缝主要沿陡倾坡外的节理产生(图7a)。从各监测点产生的水平位移来看(图7b)，各监测点基本均保持均匀运动，在整个过程中前缘监测点G1产生的水平位移都比其他监测大，最大位移为2.4 m，后缘监测点G6的产生位移明显低于其他监测点，说明斜坡首先是从前缘开始产生变形，随后变形逐渐向上传递。

a)块体变形特征

b)整体滑移阶段。当程序迭代计算至20 s时，斜坡前缘的块体沿泥灰岩与粗晶灰岩接粗面滑出，滑出后块体发生解体并冲入河流中，后缘也产生明显的拉张裂缝(图8a)，裂缝宽度可达6 m，而斜坡中部的块体未产生明显的拉张裂缝，斜坡主要表现为整体的滑移，原生的地层层序基本能保持不变。从块体变形速率矢量图中可以看出(图8b)，块体的滑移方向基本与坡向平行，且前缘的变形速率最大，最大可达5.24 m/s，中后部变形速率相对较小。

a)块体变形特征

c)碰撞堆积阶段。当程序迭代计算至40 s后，前缘滑出的块体已基本堆积于底部河道中，堆积的块体有明显的反翘和架空现象，中部的岩体也逐渐开始解体，不再保留原生的地层层序(图9a)；迭代计算至150 s后，模型计算的最大不平衡力趋于0，坡体变形减缓，进入自稳堆积阶段，此时前缘的堆积体由于受到上部块体的推挤被压实，架空现象不明显，河道已被完全堵塞，中部的岩体也基本完全解体，变成杂乱无章的块体，上部滑床被揭露，后缘形成高陡的滑坡后壁(图9b)。

a)计算40 s时块体变形特征

通过各监测点水平位移时效曲线(图10)可以看出：①迭代计算0～10 s过程中，各监测点产生的位移量均较小，曲线的切线较缓，也即变形速率较低，滑坡表现出缓慢的匀速变形特征，即处于滑移-拉裂的蠕变阶段；②迭代计算从10 s开始，位移量突然急速增加，曲线的切线明显变陡，说明滑坡开始启动，发生了整体滑移破坏，此阶段后缘的监测点G6的位移量和变形速率明显低于中下部的其他监测点，说明上部的岩体变形有滞后效应；③迭代计算从40 s开始，各监测点的位移增加量和变形速率表现出先减小后增加再减小的趋势，说明滑坡开始进入碰撞堆积阶段，碰撞作用会导致了变形速率的突然降低；④当计算到100 s后，位移曲线变得很缓，此时滑坡碰撞堆积已基本完成，滑坡启动产生的能量已基本得到释放，剩余的变形主要是由于上部堆积体在重力作用下对前缘堆积体的推挤、压实而产生，滑坡最终产生的最大水平位移量为217.5 m，与现场调查结果基本一致，说明本次模拟计算具有较好的一致性和合理性。

4 结论

a)石板村滑坡属于中型顺层岩土混合型牵引式滑坡，滑面为泥灰岩与粗晶灰岩的接触面，滑坡诱发的内部因素为不利的地形地貌与地层岩性组合和岩体结构，诱发的外部因素为强降雨和人为对天然排水系统的破坏。

b)石板村滑坡的形成可分为前缘滑移-后缘拉裂、整体滑移和碰撞堆积3个阶段，通过UDEC程序还原了滑坡的变形破坏过程和运动特征，滑坡的最大水平位移达217.5 m，与现场调查基本一致。

c)石板村滑坡具有剧烈启动效应，启动时最大速率可达5.24 m/s，后缘产生的位移和变形速率相对前缘滞后。